На защите экологии: молодые ученые ЮУрГУ внесли вклад в создание «электронного» носа

Сегодня на Урале и не только очень актуальна проблема закисления окружающей среды. Накопленные кислотные газы способствуют образованию кислотных дождей. Их воздействие увеличивает уровень кислотности в водоемах, что губительно для рыб, земноводных, насекомых и бактерий.

Участвуя в конкурсе «Интеллектуальный прорыв», проводимом в ЮУрГУ в рамках Проекта 5-100, команда сотрудников химического факультета и факультета материаловедения и металлургических технологий ЮУрГУ представила инновационный проект «Пористые углеродные материалы, допированные азотом».

В результате термолиза смеси таких недорогих материалов, как пек и меламин, в лаборатории был получен углеродный материал с высоким содержанием азота, из-за чего он приобрел особые химические и физические свойства. Материал можно использовать в качестве сенсора в газоанализаторах, так как он является более чувствительным к кислотным газам (HCl, SO2, SO3 и т.п.), благодаря способности азота образовывать с такими газами устойчивые соединения. Присоединение молекул газа к поверхности материала изменяет его электросопротивление. Это позволяет создать сенсор, информирующий о концентрации таких газов в атмосфере.

В комбинации с иными материалами, чувствительными к различным типам молекул, становится возможным создание недорогих устройств, подробно анализирующих состав воздуха, так называемых «электронных носов». Сегодня наблюдается тенденция к уменьшению устройств типа «электронный нос», и со временем по размерам они станут не более флэш-карты.

На рисунке приведен пример матрицы из нескольких десятков сенсорных материалов, каждый из которых дает отклик на узкую группу веществ в виде изменения цвета сенсора (направление, развиваемое в Чикаго (США) профессором Kenneth S. Suslick). Анализ отклика дает возможность точнее идентифицировать примесь в газе. Сопротивление материалов также изменяется в присутствии различных газов.

Проект «Пористые углеродные материалы, допированные азотом» достаточно сложен, он носит комплексный, междисциплинарный характер и требует знаний специалистов различных областей. В команду проекта входят сотрудники нескольких факультетов, объединившие знания в своей области. Инициатор исследования – старший научный сотрудник кафедры материаловедения и физикохимии материалов, инженер НОЦ «Нанотехнологии», к.х.н. Дмитрий Жеребцов. Также в команду проекта входят: специалист по химической технологии углеродных материалов, доцент кафедры экологии и химической технологии, к.х.н. Ксения Смолякова, специалист по физическим методам исследования, доцент кафедры компьютерного моделирования и нанотехнологий, к.ф.-м.н. Сергей Морозов, специалист по адсорбционным исследованиям, аспирант кафедры экологии и химической технологии Роман Морозов, молодые исследователи – магистранты кафедры материаловедения и физикохимии материалов – Руслана Янцен (П-143), кафедры экологии и химической технологии Раиль Нургалин (ЕТ-243) и студенты бакалавриата кафедры экологии и химической технологии Никита Девятков (ЕТ-333), Полина Бабина (ЕТ-453), Виктория Рублева (ЕТ-453).

Помимо сотрудников ЮУрГУ, в работе принимают участие специалисты по магнитным и спектральным свойствам материалов, выпускники ЮУрГГПУ Дмитрий и Владимир Живулины. Более детальные магнитные измерения на полученных образцах в сотрудничестве с лабораторией ЮУрГУ проводят профессор Hua Shu Shu из Тайваньского университета Pingtung и Post Doctoral Researcher Иван Захарчук из Технологического университета Лаппеенранты (Финляндия). Их исследования в перспективе будут выходить за рамки темы «электронного носа», поскольку разработки по результатам исследований могут быть использованы в электронике и солнечной энергетике.

Тема углерод-азотных материалов сегодня чрезвычайно актуальна во всем мире. Важный вклад в ее развитие вносят и научные коллективы НИУ ЮУрГУ. В ближайшем будущем к команде проекта «Пористые углеродные материалы, допированные азотом» присоединятся и другие высококвалифицированные ученые университета.

Ученые ЮУрГУ, благодаря исследованиям пористых углеродных материалов, допированных азотом, вносят существенный вклад в совершенствование устройств типа «электронный нос», нацеленных на контроль выбросов в атмосфере. Контроль выбросов, в свою очередь, дает возможность в перспективе перейти к их существенному уменьшению и в перспективе к улучшению экологического состояния нашей планеты.